Cientistas de Harvard alcançaram um avanço significativo na computação quântica ao desenvolver metassuperfícies que podem transformar a forma como a informação quântica é processada e transmitida.
A equipa de investigação da John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences da Universidade de Harvard, liderada pelo Professor Federico Capasso, criou metassuperfícies especialmente desenhadas — dispositivos planos gravados com padrões à escala nanométrica que manipulam a luz — que funcionam como substitutos ultra-finos para volumosos sistemas ópticos quânticos. Os resultados foram publicados na revista Science a 24 de julho de 2025, no artigo intitulado "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Estamos a introduzir uma vantagem tecnológica significativa no que diz respeito à resolução do problema da escalabilidade", explica o estudante de doutoramento Kerolos M.A. Yousef, primeiro autor do artigo. "Agora conseguimos miniaturizar todo um sistema óptico numa única metassuperfície que é muito estável e robusta."
Os sistemas fotónicos quânticos convencionais dependem de redes complexas de lentes, espelhos e divisores de feixe para manipular fotões e criar os estados emaranhados necessários à computação quântica. Estes sistemas tornam-se cada vez mais difíceis de gerir à medida que se adicionam componentes, dificultando a construção de computadores quânticos práticos. A inovação da equipa de Harvard condensa todos estes componentes numa única matriz plana de elementos subcomprimento de onda que controlam a luz com precisão notável.
Uma inovação fundamental foi a aplicação da teoria dos grafos — um ramo da matemática que utiliza pontos e linhas para representar ligações — para conceber metassuperfícies capazes de controlar propriedades como brilho, fase e polarização dos fotões. Esta abordagem permitiu-lhes mapear visualmente como os fotões interferem entre si e prever resultados experimentais, tornando o design de estados quânticos complexos mais intuitivo.
"Com a abordagem dos grafos, o design da metassuperfície e o estado quântico óptico tornam-se duas faces da mesma moeda", observa o investigador Neal Sinclair, que colaborou no projeto.
As metassuperfícies resultantes oferecem inúmeras vantagens face às configurações convencionais: não exigem alinhamentos intrincados, são robustas face a perturbações ambientais, podem ser fabricadas com técnicas padrão da indústria dos semicondutores e minimizam a perda óptica — um fator crítico para manter a integridade da informação quântica.
Para além da computação quântica, esta tecnologia poderá impulsionar a deteção quântica e permitir capacidades de "laboratório num chip" para investigação científica fundamental. O trabalho representa um passo importante rumo a computadores e redes quânticas práticos à temperatura ambiente, que têm sido difíceis de concretizar em comparação com outras plataformas quânticas.
A investigação foi financiada pelo Air Force Office of Scientific Research e realizada no Center for Nanoscale Systems de Harvard, com colaboração fundamental da equipa de ótica quântica e fotónica integrada do Professor Marko Lončar.